功率器件熱設(shè)計及散熱器的優(yōu)化設(shè)計

付桂翠，高澤溪，鄒航，王誕燕
（北京航空航天大學(xué)工程系統(tǒng)工程系，北京，100083）

1 表征功率器件熱性能的主要參數(shù)

功率器件應(yīng)用時所受到的熱應(yīng)力可能來自器件內(nèi)部，也可能來自器件外部。器件工作時所耗散的功率要通過發(fā)熱形式耗散出去。若器件的散熱能力有限，則功率的耗散就會造成器件內(nèi)部芯片有源區(qū)溫度上升及結(jié)溫升高，使得器件可靠性降低，無法安全正常工作。表征功率器件熱能力的參數(shù)主要有結(jié)溫和熱阻。

一般將功率器件有源區(qū)稱為結(jié)，器件的有源區(qū)溫度稱為結(jié)溫。這些器件的有源區(qū)可以是結(jié)型器件（如晶體管）的pn結(jié)區(qū)、場效應(yīng)器件的溝道區(qū)，也可以是集成電路的擴(kuò)散電阻或薄膜電阻等。當(dāng)結(jié)溫T j高于周圍環(huán)境溫度Ta時，熱量通過溫差形成擴(kuò)散熱流，由芯片通過管殼向外散發(fā)，散發(fā)出的熱量隨著溫差（Tj-T a）的增大而增大。為了保證器件能夠長期正常工作，必須規(guī)定一個允許結(jié)溫 Tjmax。Tjmax的大小是根據(jù)器件的芯片材料、封裝材料和可靠性要求確定的。

功率器件的散熱能力通常用熱阻表征，記為 RT。熱阻越大，則散熱能力越差。熱阻又分為內(nèi)熱阻和外熱阻，內(nèi)熱阻是器件自身固有的熱阻，與管芯、外殼材料的導(dǎo)熱率、厚度和截面積以及加工工藝等有關(guān)；外熱阻則與管殼封裝的形式有關(guān)。一般來說，管殼面積越大，則外熱阻越小，金屬管殼的外熱阻就明顯低于塑封管殼的外熱阻。

當(dāng)功率器件的功率耗散達(dá)到一定程度時，器件的結(jié)溫升高，系統(tǒng)的可靠性降低，為了提高可靠性，應(yīng)進(jìn)行功率器件的熱設(shè)計。

2 功率器件熱設(shè)計

功率器件熱設(shè)計是要防止器件出現(xiàn)過熱或溫度交變引起的熱失效，可分為器件內(nèi)部芯片的熱設(shè)計、封裝的熱設(shè)計和管殼的熱設(shè)計以及功率器件實際使用中的熱設(shè)計。其主要關(guān)系如圖1所示。

對于一般的功率器件，在生產(chǎn)工藝階段，就要充分考慮器件內(nèi)部、封裝和管殼的熱設(shè)計，當(dāng)功率器件功耗較大時，依靠器件本身的散熱（芯片、封裝及管殼的熱設(shè)計）并不能夠滿足散熱要求。功率器件結(jié)溫可能會超出安全結(jié)溫，此時需要安裝合適的散熱器，通過散熱器有效散熱，保證器件結(jié)溫在安全結(jié)溫之內(nèi)且能長期正?？煽康墓ぷ鳌?

3 合理選取散熱器

功率器件使用散熱器是要控制功率器件的溫度，尤其是結(jié)溫Tj，使其低于功率器件正常工作的安全結(jié)溫，從而提高功率器件的可靠性。功率器件散熱器隨著功率器件的發(fā)展，得到了飛速發(fā)展，常規(guī)散熱器趨向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，而新產(chǎn)品則向低熱阻、多功能、體積小、重量輕、適用于自動化生產(chǎn)與安裝等方向發(fā)展。合理地選用、設(shè)計散熱器，能有效降低功率器件的結(jié)溫，提高功率器件的可靠性。

各種功率器件的內(nèi)熱阻不同，安裝散熱器時由于接觸面和安裝力矩的不同，會導(dǎo)致功率器件與散熱器之間的接觸熱阻不同。選擇散熱器的主要依據(jù)是散熱器熱阻RTf。在不同的環(huán)境條件下，功率器件的散熱情況也不同。因此選擇合適散熱器還要考慮環(huán)境因素、散熱器與功率器件的匹配情況以及整個電子設(shè)備的大小、重量等因素。

4 功率器件熱設(shè)計和散熱器優(yōu)化設(shè)計

4.1 設(shè)計方案

功率器件熱設(shè)計和散熱器優(yōu)化設(shè)計方案示于圖 2。首先根據(jù)功率器件正常工作時的性能參數(shù)和環(huán)境參數(shù)，如環(huán)境溫度、器件功耗和結(jié)溫等，計算功率器件結(jié)溫是否工作在安全結(jié)溫之內(nèi)，判斷是否需要安裝散熱器進(jìn)行散熱，如功率器件需安裝散熱器進(jìn)行散熱，計算相應(yīng)的散熱器熱阻，初選一散熱器；重新計算功率器件結(jié)溫，判斷功率器件結(jié)溫是否在安全結(jié)溫之內(nèi)，所選散熱器是否滿足要求；對于符合要求的散熱器，應(yīng)根據(jù)實際工程需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4.2 實例應(yīng)用

通過設(shè)計包含不同封裝功率器件的實驗電路板，實現(xiàn)散熱器的初選和優(yōu)化，驗證功率器件散熱器的優(yōu)化設(shè)計方法是否滿足工程實用要求。

設(shè)計的電路板原理圖如圖3所示。選用了兩種不同封裝的功率器件，一種是三端可調(diào)輸出集成穩(wěn)壓器LM317和LM337，管殼封裝為TO-3；另一種是三端固定輸出集成穩(wěn)壓器7812和7912，管殼封裝為TO-220，同時每個功率器件都配置了相應(yīng)的散熱器，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R1和R 2，改變?nèi)丝烧{(diào)輸出穩(wěn)壓器LM317、LM337兩端的輸出電壓，通過三端固定輸出穩(wěn)壓器7812、7912，可以在負(fù)載R5 、R6兩端得到恒定的＋12V和-12V的電壓。

測量三端可調(diào)輸出穩(wěn)壓器LM317, LM337的輸入、輸出電壓以及負(fù)載電阻R5 , R6兩端的電壓，計算各功率器件的功耗，測得當(dāng)時環(huán)境溫度19.5℃，詳細(xì)試驗數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)功耗以及功率器件的外殼封裝和大小初選了兩種散熱器：7812和7912 安裝SYX－YEC型型材散熱器；LM317和LM337則安裝SRX－YDT型型材散熱器。各功率器件與散熱器之間均墊有絕緣墊片，沒有涂敷硅脂。查閱相關(guān)手冊根據(jù)器件不同的封裝形式（本例中為TO- 3和TO-220封裝）選取合適的接觸熱阻值，詳細(xì)數(shù)值如表2所示。

本例中環(huán)境溫度為19.5℃、考慮輻射、器件工作在穩(wěn)態(tài)及自然對流冷卻情況下，在散熱器優(yōu)化設(shè)計軟件界面中，依照建模向?qū)?，按照散熱器的實際尺寸建立散熱器模型；然后在散熱器合適位置添加熱源，在熱源參數(shù)界面中輸入計算所得器件的功耗和接觸熱阻值；設(shè)定器件正常工作的全局條件，包括環(huán)境溫度、是否考慮輻射以及是瞬態(tài)還是穩(wěn)態(tài)等來分別對四個功率器件的散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)工程經(jīng)驗，功率器件殼溫一般比結(jié)溫低30 ℃左右，因此需要限定散熱器溫度不大于功率器件的殼溫。優(yōu)化變量是工程優(yōu)化時易于制造加工的肋片幾何變量，如肋片厚度、長度、高度等，同時還要考慮功率器件的大小和散熱器的加工成本，選定散熱器肋片寬度大于1mm，高度大于1mm，長度至少要大于功率器件的縱向長度（本例中，LM317和LM337要大于40mm；7812和7912要大于15mm），使功率器件既能正常工作，又能與散熱器達(dá)到匹配。表3是經(jīng)過散熱器優(yōu)化設(shè)計軟件分析，優(yōu)化后與優(yōu)化前的散熱器幾何尺寸和器件殼溫值對比結(jié)果。

從表中數(shù)據(jù)可知，LM317和LM337安裝的散熱器優(yōu)化后肋片長度減小不多，但高度明顯增加，由優(yōu)化前9.2mm增加至優(yōu)化后16.258mm，因此散熱面積也有所增加，由優(yōu)化前0.012mm2增至優(yōu)化后 0.015 mm2，降低了器件結(jié)溫，認(rèn)為優(yōu)化后散熱器滿足散熱要求。7812、7912安裝的散熱器優(yōu)化后質(zhì)量明顯減小，由優(yōu)化前0.0235kg減輕至0.006kg，散熱器散熱面積減小很多，雖然引起器件結(jié)溫升高，但并未超過安全結(jié)溫，因此，可認(rèn)為優(yōu)化后散熱器既滿足散熱要求，又與器件達(dá)到了匹配。

5 結(jié)論

本文在分析表征功率器件熱性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，論述了功率器件的熱設(shè)計，并從使用角度出發(fā)，提出了功率器件熱設(shè)計及散熱器優(yōu)化設(shè)計方案。實驗結(jié)果表明，該方法合理，有效，為功率器件熱設(shè)計提供了新的思路。